黄土旱塬区苹果园生草覆盖对深层土壤水分和根系分布特征的影响

李惟婕，王立，马景永，王自奎

（兰州大学草地农业科技学院，草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃 兰州 730020）

黄土高原地区是我国苹果（Malus pumila）主产区之一，苹果产业已成为当地农民增收致富和实现全面小康的支柱产业［1］。然而传统果园主要采用清耕制的耕作管理方式，化肥和农药投入量很高［2］。长期清耕管理会导致果园地力退化、生物多样性降低、果实产量和品质下降等一系列生态和生产问题［3-4］。果园生草覆盖是指在果树行间或全园种植草本植物的一种果园土壤耕作管理模式，在国内外已经广泛应用［5］，具有改善土壤结构与肥力、增加农业系统固碳、压制杂草、减少农药施用量等诸多生态服务功能［6］。

在黄土高原推广苹果园生草覆盖种植模式一方面可提升果园的生态效益，另一方面可生产牧草、提高土地的利用效率，符合国家粮饲兼顾的农业发展战略［7-8］。目前在黄土高原地区针对果园生草覆盖的研究主要侧重于短期生草覆盖对浅层土壤理化性质、土壤含水量和根系分布的影响。例如李会科等［9］在渭北黄土高原旱地果园研究了果园生草覆盖后土壤物理性质的改变，发现生草覆盖降低了0～40 cm土层土壤容重，增加了孔隙度，提高了水稳性团聚体含量；高茂盛等［10］在渭北黄土高原旱地果园研究发现生草处理0～60 cm土层土壤在5月土壤贮水量最低，较裸地低31.7 mm，而在10月与裸地贮水量相当；白岗栓等［11］在渭北黄土高原旱地果园种植白三叶（Trifolium repens）和鸭茅（Dactylis glomerata）后0～120 cm土层土壤水分降低，蒸散量较清耕果园分别提高了30.20和48.65 mm；杨萍［12］发现在陇东旱塬苹果园不同覆盖处理下，生草覆盖果园表层（0～40 cm）果树根系活力和鲜重较清耕果园高。根系是果树吸收水分的重要器官，果园地面生草覆盖管理主要通过果草种间竞争影响果树根系的分布而影响果树的吸水范围和吸水量，进而影响果园水分状况和生产力［11］。旱作果园果树根系分布较深，生草覆盖提高降水入渗速率和果园表层土壤水分含量已经被广泛证明［8，13-14］，但是果草竞争对土壤深层土壤水分的影响还不确定，果草复合系统中果树根系在不同土层的分布规律及用水策略还缺乏研究。

以黄土高原陇东地区旱作苹果园为研究对象，设置清耕和生草处理，以农田为对照，研究生草管理对苹果园深层土壤水分变化规律的影响，分析清耕和生草覆盖果园果树根系密度的空间变异及其与土壤水分的关系，以期为陇东黄土高原地区苹果园生草覆盖模式的推广应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验在甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站苹果园进行。该站位于甘肃省庆阳市西峰区什社乡（35°39′N，107°51′E），海拔1297 m。该地区是典型的黄土旱塬雨养农业区，当地的主要粮食作物为小麦（Triticum aestivum）和玉米（Zea mays），主要经济作物为苹果。多年平均气温为10.1℃，平均年降水量为568.2 mm（2001-2020年），降水年际与季节间分布不均匀，年内多集中在7-9月。图1为庆阳地区2020和2021年以及多年（1969-2019年）的平均气温和降水量，2020年6月1日之前降水量很小，降水主要发生在6月中旬；2021年3-7月降水分布较为均匀。试验地土壤类型为黑垆土，0～500 cm土层质地类型均为粉壤土，粉粒含量为73.8%～80.5%，黏粒含量为7.6%～8.8%，砂粒含量小于10.0%。2020年测定的果园0～500 cm土层田间持水量和土壤容重列于表1中。

图1 庆阳试验站2020和2021年月降水气温变化趋势及其与多年平均值的比较Fig.1 Dynamics of precipitation and air temperature at Qingyang experimental station in 2020 and 2021 and comparison with the long-term average

表1 清耕苹果园0～500 cm不同土层土壤容重和田间持水量Table 1 Soil bulk density and field water capacity in the 0-500 cm soil profiles in apple orchard

1.2 试验设计

试验果园为乔化苹果园，苹果品种为秦冠，果树行距400 cm，株距400 cm。果园于2004年建植，在2004-2014年实施清耕管理。果园生草覆盖试验于2014年秋季开始，试验设置果园清耕处理和行间生草覆盖处理，以同试验站作物田（距离50 m）为对照。生草覆盖处理于2014年秋播种鸭茅，播量为15 kg·hm-2，生草带边缘与树干距离为70 cm，带幅宽度为260 cm，鸭茅在抽穗前刈割，每年刈割3～5次；清耕处理每年春季施肥前翻耕或旋耕平整土地，苹果树生育期内采用中耕锄草的方法清除杂草。清耕和生草覆盖果园均占地0.3 hm2。2020年6月22日和2021年7月4日在清耕和生草覆盖果园中选择3株长势一致且位于果园中间位置的果树作为重复，分别在果树行间和行内进行土壤和根系取样，同时选择果园旁边的一年生作物田为对照进行取样。

1.3 指标测定与计算

采用内径为9 cm的根钻进行土壤和根系的取样。如图2所示，每个苹果树底下设置4个采样点，分别为苹果树的行间距离苹果树树干100和200 cm处（简称行间100 cm和行间200 cm）和苹果树的行上距离苹果树树干100和200 cm处（简称行上100 cm和行上200 cm）。各取样点取样深度均为500 cm，根钻沿深度方向每10 cm取样一次，每两次取样（20 cm）装进一个土带进行根系和水分的测定，因此每棵树下每个取样点共包括25个土样，果园6个果树共计测定600个土样。

图2 果园生草覆盖系统中果草配置及生草覆盖（a）和清耕果园（b）土壤取样位置Fig.2 Diagram of apple tree-cover crop system and soil sampling points in cover crop（a）and clean tillage（b）treatments

取土后立即从土样中取出少量装入铝盒，用烘干法进行土壤含水量的测定，然后通过容重换算为体积含水量。第i层土壤体积含水量（wi，%）、土壤贮水量（Wi，mm）及土壤水分亏缺量（ΔSi，mm）的计算公式为：

式中：Mi为湿土质量（g）；mi为烘干后土壤质量（g）；γi为土壤容重（g·cm-3）；h为土层深度（cm）；W0，i和W0分别表示第i层土壤稳定贮水量和土壤实际贮水量（mm），土壤稳定贮水量为对照农田土壤水分［15］。

其余土样用于果树根系的测定，先将土样装入直径为0.149 mm网筛中进行至少8 h的浸泡，待土块完全变软后利用水龙头进行冲洗，之后用镊子进行根系的挑拣和整理，研究仅测定果树的根系，通过辨认颜色和形态的方法挑出果树的根系［16］（与草类植物相比，果树根系颜色较深、呈褐色），用去离子水清洗干净后用WinRhizo根系图像分析系统（Regent Instruments Inc.，uebec，加拿大）获取细根根长。细根长密度（ρ）的计算公式为：

式中：ρ为细根长密度（cm·cm-3）；l为细根根长（cm）；ν为土壤体积（cm3）。

1.4 数据分析

用Excel 2016进行数据整理，用SPSS 25.0软件进行土壤水分和根系分布数据的多因素方差分析以及土壤水分和根系之间关系的线性回归分析，数据分析的显著和极显著水平的标准分别设为P=0.05和P=0.001。

2 结果与分析

2.1 土壤剖面含水量的变化特征

2020和2021年对照农田0～300 cm土层土壤平均含水量分别为21.6%和20.9%，而清耕果园分别为19.8%和19.5%，比对照下降了8.3%和6.7%（P＜0.01）。清耕果园与对照300～500 cm土层的土壤含水量变化趋势一致，平均值分别为21.4%和21.3%。生草覆盖果园与清耕果园相比，0～500 cm整个剖面的土壤含水量均有所下降。2020年清耕果园0～500 cm土层土壤平均含水量为20.5%，生草覆盖果园为18.1%，较清耕果园显著下降了11.5%（P＜0.01）；2021年清耕果园为20.3%，生草覆盖果园为17.8%，比清耕果园下降了12.3%（P＜0.01）。2021年前半年气象干旱，生草处理土壤水分下降幅度与2020年相比进一步增加（图3）。

图3 苹果园及对照农田0～500 cm土壤剖面含水量分布Fig.3 Soil water content distribution of 0-500 cm profiles in apple orchards and the reference crop field

2020年生草覆盖果园行间100 cm处0～100 cm土层土壤含水量较清耕果园相同位置仅下降了8.9%，而行间200 cm处0～100 cm土层土壤含水量下降达22.6%；果树行上100和200 cm处0～100 cm土层土壤含水量下降幅度差异不大，分别为13.7%和15.7%（图4）。所有位置100～300 cm土壤含水量的下降幅度较小，行间为5.8%～5.9%，行上为9.9%～10.5%。300～500 cm土层生草处理与清耕相比土壤含水量下降幅度较大，距离树干100 cm处的变幅为13.5%～13.8%，大于距离树干200 cm处（12.1%～13.0%）。

图4 2020年生草和清耕苹果园果树行上和行间距离树干不同位置0～500 cm剖面土壤含水量分布Fig.4 Soil water content distribution of 0-500 cm profiles at different places on the tree row and inter row in apple orchards with and without cover crop in 2020

2021年生草覆盖果园行间100 cm处0～100 cm土层土壤含水量较清耕果园相同位置仅下降8.0%，而果树行上100 cm处及行间和行上200 cm处0～100 cm土层土壤含水量下降幅度较大，为17.6%～23.2%（图5）。100～300 cm土层中，行间不同位置土壤含水量下降幅度较小，为6.1%～6.9%，较2020年下降幅度增大了10.9%；而行上不同位置下降幅度为11.0%～12.2%，较2020年下降幅度增大了12.1%。300～500 cm土层生草处理与清耕相比土壤含水量下降幅度为10.7%～15.9%。距离树干100 cm处的变幅较2020年缩小了18.5%，距离树干200 cm处的变幅较2020年增大了15.7%。

2.2 土壤贮水量与水分亏缺特征

2020和2021年清耕果园不同位置土壤贮水量为1013.2～1035.3 mm和986.8～1036.5 mm，而生草覆盖果园土壤贮水量为895.8～913.8 mm和876.4～900.8 mm；2021年清耕果园平均贮水量较2020年降低了0.9%，生草覆盖果园下降了1.8%（图6）。统计分析结果显示2020和2021年清耕果园的土壤贮水量均显著高于生草覆盖果园（P＜0.01），而不同取样位置之间的土壤贮水量无显著差异（P2020=0.916，P2021=0.525），生草模式和取样位置之间的交互作用也不显著（P2020=0.929，P2021=0.429）。

2020年清耕果园0～100 cm和100～300 cm土层土壤平均水分亏缺量为43.8和11.5 mm，而300～500 cm没有发生水分亏缺。生草果园果树下不同位置各个土层均出现了水分亏缺，0～100 cm、100～300 cm和300～500 cm土层土壤平均水分亏缺量为72.6、44.1和55.4 mm，总亏缺量达172.1 mm，为清耕处理的3.2倍（图7）。

2021年清耕果园在0～100 cm土层土壤水分平均亏缺量为26.1 mm，较2020年下降了40.3%；中间土层（100～300 cm）水分亏缺量为17.0 mm，比2020年上升48.3%；300～500 cm土层平均水分亏缺量为-4.2 mm。生草苹果园表层0～100 cm土层水分亏缺量平均值为59.5 mm，较2020年降低了18.0%；中间土层（100～300 cm）为53.4 mm，较2020年增加了21.0%；300～500 cm为51.0 mm，较2020年相同深度位置降低了8.0%。0～500 cm水分总亏缺量为163.9 mm，为清耕处理的4.2倍。

2.3 苹果树根系变化特征

两年均在0～100 cm土层土壤平均细根长密度最高，达0.187 cm·cm-3，2020年生草覆盖果园细根长密度较清耕果园提升了88.5%，2021年两个果园细根长密度均值接近；在100～500 cm土层两个果园平均细根长密度都保持在一个较低水平，清耕果园为0.006～0.080 cm·cm-3，生草覆盖果园为0.009～0.099 cm·cm-3（图8）。

图8 清耕与生草覆盖果园0～500 cm土壤细根长密度的分布Fig.8 Distribution of fine root length density in 0-500 cm in apple orchards with and without cover crop

2020和2021年苹果园0～100 cm浅层土壤细根长密度总体表现为20～40 cm土层的细根长密度最高（表2）。由于根系分布变化幅度大，统计分析结果显示覆盖模式仅对30～40 cm土层的细根长密度具有显著影响（P=0.044），年际间对30～80 cm土层具有显著影响（P＜0.05），而年际与覆盖模式的交互作用均表现为不显著（P＞0.05）。两年间两个果园30～40 cm土层土壤细根长密度如图9所示，2020年生草覆盖果园30～40 cm土层土壤细根长密度较清耕果园提高了0.75倍（P＜0.05），2021年生草覆盖果园提高了2.55倍，由于不同方位细根长密度差异较大，方差分析显示两者差异不显著。

表2 苹果园0～100 cm浅层土壤细根长密度和统计分析Table 2 Fine root length density and statistical analysis of 0-100 cm shallow soil in apple orchards

2.4 细根长密度和土壤含水量关系分析

上述结果可知果园生草系统果草竞争关系改变了果树根系分布格局，根系分布是影响深层土壤水分的关键因素。如图10所示，细根长密度随着土壤含水量的增加显示出不断下降的趋势，呈负相关关系。整体而言，2020年细根长密度和土壤水分的取值范围更宽，二者的相关性较高（P＜0.05）；2021年清耕果园细根长密度和行上、行间土壤含水量的回归关系均不显著（P＞0.05），而生草覆盖果园二者的回归关系在果树行达显著水平（P＜0.05），行间接近于显著水平（P=0.053）。

图10 清耕和生草果园土壤含水量与苹果树细根长密度的相关关系Fig.10 Correlation between soil water content and fine root length density of apple trees in apple orchards with and without cover crop

3 讨论

3.1 果园生草覆盖对土壤水分的影响

李会科等［2］在综述果园生草覆盖的水分效应中指出，在降水量小于500 mm的地区，生草制果园300 cm以下土层土壤水分明显低于清耕制果园，在降水量为500～550 mm的地区，300 cm以下土层土壤水分较清耕制果园低0.5%～1.5%；生草制果园在降水量为550 mm以上地区，生草制果园300 cm以下土层土壤水分与清耕果园基本无差异或略高于清耕制果园。而本研究点的年均降水量大于550 mm，观测结果发现苹果园在生草覆盖后0～500 cm土层土壤含水量与清耕相比降低幅度高达11.5%～12.3%，300 cm以下土层的下降幅度为12.9%～13.1%，与李会科等［2］的结论不一致。观测结果的不一致可能是生草覆盖年份或果园年龄的不同所引起的。果园生草覆盖类型多为多年生牧草，建植的初期耗水量少，一般2～3年之后才到生长旺盛期，所以生草覆盖前期对深层土壤水分的影响效应可能不显著；另外，幼龄期果园对水分的需求较少，果园生草系统的水分竞争关系较弱，果园生草覆盖对土壤水分和果树生长的影响较小［16］。果草复合系统中种间竞争的大小与果树和牧草的根系分布情况紧密相关，鸭茅根系较浅［17］；而干旱地区苹果树的根系较深，树草根系重叠范围比较小。本研究取样测定时果树年龄为16～17龄，正处于果树盛产期，水分需求量大，而鸭茅已经种植6～7年，已经显现对果园土壤水分的持续影响。

由于牧草能大幅度地减少径流、保存雨水，同时其覆盖作用减少了表层土壤水分的蒸发，生草区0～80 cm土层内的土壤含水量显著高于裸地小区［18］。果园生草覆盖可提高浅层土壤含水量的主要原因是根系快速周转可提高土壤有机质含量［19］，产生团粒结构和有效孔隙使土壤透水能力和持水能力提高［20］；而同时果园生草覆盖会增加地表覆盖率和减少植被蒸腾，水分不足时引起果草水分竞争，且牧草的根系主要分布在表层，所以也会加剧浅层土壤水分的消耗［21］。本研究表明苹果园果树行间0～500 cm整个剖面土壤含水量略高于果树行土壤含水量，且生草覆盖后两者含量差异变大，主要是因为行间牧草的生长促进了果树根系在果树行的分配比例，增加果树在果树行的耗水量，进一步降低了果树行的土壤水分。另外，果树冠层结构影响了降水的空间分布，也是果树行的土壤水分低于行间水分的主要原因［22］。行间200 cm处0～100 cm土层土壤水分较行间100 cm处在果园生草覆盖后下降明显，说明果园行间种植鸭茅后，鸭茅蒸腾耗水主要发生在0～100 cm土层。

3.2 土壤水分亏缺特征

与大田作物相比，果树根系分布更深且蒸腾能力更强，可以吸收利用深层土壤中的水分，研究表明苹果树的最大耗水深度可达1000 cm［23-24］。深层土壤水的补给和更新比较缓慢，尤其是在干旱半干旱地区；在黄土高原长武和洛川地区，高龄苹果园的深层土壤中，平均质量含水量已经接近土壤凋萎湿度［25］。本研究发现，清耕果园0～100 cm、100～300 cm的土层均出现了较大土壤水分亏缺，行间深层土壤（300～500 cm）水分亏缺较小，部分位置甚至没有亏缺。生草覆盖加剧了100～300 cm土层土壤水分的亏缺程度，并且使300～500 cm土层出现了大量的水分亏缺，部分位置亏缺量甚至大于100～300 cm土层。2021较2020年表层（0～100 cm）土壤水分亏损量减少，100～300 cm土壤水分亏损量较2020年增加。2021年6和7月较为干旱，降水量远低于2020年和多年平均值（图1），导致果树利用了更多深层土壤（100～300 cm）的水分。根据杨轩［26］在2017年使用庆阳50年气象数据对作物生长的模拟结果表明，降水为限制该区域作物生长的主要因素。2020年雨水较为丰沛，牧草地上生物量大于2021年，所以牧草在表层（0～100 cm）对水分利用较多，表层土壤水分亏缺较2021年更加严重。刘柯渝等［27］通过同位素标记法发现，13龄的果树在干旱期50%的水分主要来源于100～300 cm土层，而降水后水分主要来源于0～100 cm土层，本研究结果与之相符合。鸭茅属于多年生作物，生草覆盖7年后较生草覆盖6年后有更丰富的根系，因此在降水量严重不足的2021年，鸭茅和果树在深层土壤对水分的竞争更大。土壤干燥化的出现会阻止上层土壤与地下水之间的水交换，进而干扰土壤-植物-大气系统的水循环。土壤水分的耗竭，造成土壤剖面深度干燥化，会严重阻碍土壤的可持续利用，所以在黄土高原干旱半干旱地区推广果园生草覆盖技术的同时，应该注意生草覆盖种植和管理技术的优化，以减少生草覆盖对土壤水库的负面影响。Wang等［28］的研究结果也指出通过控制果园中牧草的种植带幅宽度可减小牧草的蒸腾耗水；Cao等［29］的研究表明，通过加强多年生牧草的刈割管理可有效控制果园中牧草过度耗水。果园生草系统中，通过牧草的种植密度、带幅宽度、刈割管理及结合清耕带地膜覆盖等措施可降低果园生草覆盖对水分的负面效应，充分利用生草覆盖的产草、固碳、减药、节肥等生产生态服务功能。

3.3 根系分布特征及根水关系

研究发现，清耕和生草处理中4个取样点均表现为表层（0～100 cm）土壤中果树细根长密度最高，这是因为表层土壤中果树根系可以获取更多的热量、水分、氧气和矿物营养，而随着土壤深度的增加，土壤温度、含水量和含氧量均逐渐变低，根系的生长受阻；生草覆盖让浅层土壤中微生物的活动加剧、土壤孔隙度和酶活性提高，可减小根系在土壤中的穿透阻力，使根系生长发育的速度加快［30-32］。本研究结果与以往的研究一致，例如张劲松等［33］的研究发现苹果吸水根主要集中在0～80 cm土层内，约占总量的94.33%，杨萍［12］的研究发现覆草后根系根长、表面积和活力均有所提高。

生草覆盖可提高果树的根系密度，因为果树的根系具有很强的可塑性，在应对资源竞争与胁迫时可调整根系的发育和生长来适应周围环境，水分不足会促进果树浅层根系的生长，以提高对雨水的利用效率［34-35］。以往研究表明雨养条件下，果草复合系统下果树细根长密度与土壤贮水量显著负相关［36］，本研究结果也表明根系密度随着土壤水分的降低而增加，与以往的研究结果一致。干旱年份，水分不足的条件下植物会促进干物质向根系分配，提高根冠比，因而根系密度和土壤水分的相关关系更加显著。

4 结论

1）清耕果园0～300 cm土层土壤水分较对照农田显著下降，而300～500 cm土层土壤水分与对照无差异。生草覆盖果园0～500 cm整个剖面的土壤水分较清耕果园均显著下降。果树行间0～100 cm土层土壤水分下降幅度大于果树行上，而果树行上100～300 cm土层土壤水分下降幅度大于果树行间位置。

2）生草覆盖促进了果园水分的亏缺程度，0～500 cm土层土壤水分亏缺量为清耕果园的3.2～4.2倍。

3）生草覆盖促进了0～100 cm土层果树细根的密度，两个果园30～40 cm土层土壤细根长密度差异显著，对深层根系分布影响不显著。

4）土壤水分随果树细根长密度的增加而降低，二者呈负相关。生草覆盖处理下二者的相关性更为显著；2020年干旱条件下二者的相关性高于2021年。